Dynamics of soil aggregate-associated organic carbon based on diversity and high biomass-C input under conservation agriculture in a savanna ecosystem in Cambodia

Resumo

Os sistemas de cultivo plantio direto (PD) têm o potencial de melhorar a agregação do solo, proporcionando proteção física e sequestro de carbono no solo. A existência de discrepâncias no impacto da lavoura na agregação do solo e no sequestro de carbono no solo justifica estudos adicionais, particularmente para diferentes rotações de culturas. Nossa hipótese é a seguinte: a) as rotações bianuais de culturas sob PD tendem a ser mais eficazes na restauração de macroagregados grandes e das concentrações de carbono orgânico do solo (COS), nitrogênio total e carbono oxidável por permanganato (POXC) associados aos macroagregados do que os sistemas PD com um padrão de frequência anual e o cultivo convencional (CT); b) as entradas contínuas de carbono da biomassa por meio de resíduos de culturas em macroagregados grandes sob PD tendem a aumentar a proporção de carbono alifático em comparação com aqueles sob CT. Portanto, os objetivos deste estudo foram: (i) avaliar as mudanças na distribuição do tamanho dos agregados e nos níveis de COS total, N total e POXC associados aos agregados e (ii) caracterizar o ácido húmico (AH) usando espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) 13C CP-MAS da classe de agregados de solo com tamanhos de 8 a 19 mm em uma vegetação de referência (VR) e em sistemas de cultivo de arroz, soja e mandioca (RcCS, SbCS e CsCS, respectivamente) em um Latossolo argiloso após o manejo de preparo e rotação de culturas. Avaliamos quatro tratamentos em cada sistema de cultivo: 1) CT, e 2) três sistemas PD em um delineamento em blocos completos casualizados com três repetições. Amostras de agregados do solo foram coletadas nas profundidades de 0–5, 5–10 e 10–20 cm. A conversão de VR para terras agrícolas influenciou a distribuição das classes de tamanho dos agregados, os índices de agregação do solo e o COS, o N total e o POXC ssociados aos agregados nas duas camadas superficiais. A formação de macroagregados grandes (8–19 mm) dominou a distribuição do tamanho dos agregados, com uma proporção relativamente maior sob VR e PD do que sob CT. Em todas as profundidades do solo, as proporções da fração de tamanho de agregado de 8 a 19 mm foram 59% (NV), 43% e 47% (RcCS), 45% e 53% (SbCS) e 34% e 37% (CsCS) para os sistemas CT e PD, respectivamente. Entre os três sistemas PD, as rotações bianuais de culturas nos três sistemas de cultivo (NT2-Arroz, NT2-Soja, NT2-Mandioca; NT3-Arroz, NT3-Soja e NT3-Mandioca) indicaram melhor desempenho do que o padrão de frequência anual na restauração de macroagregados grandes e nas concentrações de COS, N total e POXC associadas a macroagregados grandes. Além disso, nas camadas superficiais (0–5 cm) e subsuperficiais (10–20 cm) do solo, o SbCS com alta taxa (7,32 Mg C ha⁻¹ ano⁻¹) e diversidade [Pennisetum typhoides (milho-miúdo)/milho + Brachiaria ruziziensis (Brz), Stylosanthes guianensis (St)] de entradas de carbono da biomassa atingiu os níveis mais altos de labilidade do COS e POXC nas classes de tamanho de macroagregados de 0,25–0,5 e 8–19 mm, respectivamente. A medição por RMN 13C CP-MAS sugere que as entradas contínuas e elevadas de carbono da biomassa com resíduos agrícolas diversos sob PD, tais como milho, milho, Brz, St e Crotalaria juncea, tenderam a aumentar a proporção de carbono alifático em comparação com CT; uma tendência oposta foi observada para o C aromático. O 13C NMR revelou um avanço causado pela associação entre a quantidade e a qualidade da adição de C por meio de resíduos culturais na discriminação da composição do C na macroagregação na região tropical.

Abstract

No-till (NT) cropping systems have the potential to enhance soil aggregation, providing physical protection and soil C sequestration. The existence of discrepancies in the impact of tillage on soil aggregation and soil C sequestration warrants  further studies, particularly for different crop rotations. We hypothesized the following: a) NT biannual crop rotations tend to be more effective in restoring large macroaggregation and the concentrations of soil organic C (SOC), total N and permanganate oxidizable C (POXC) associated with macroaggregates than NT systems with a one-year frequency pattern and conventional tillage (CT); b) the continuous biomass-C inputs via crop residues in large macroaggregates under NT tend to increase the proportion of aliphatic C than those under CT. Therefore, the objectives of this study were: (i) to assess changes in the aggregate size distribution and levels of aggregate-associated total SOC, total N and POXC and (ii) to characterize humic acid (HA) using 13C CP-MAS nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of 8- to 19-mm soil aggregate size class in a reference vegetation (RV) and in rice-, soybean- and cassava-based cropping systems (RcCS, SbCS and CsCS, respectively) in a clayed Oxisol after tillage and crop rotation management. We evaluated four treatments in each cropping system: 1) CT, and 2) three NT systems in a randomized complete block design with three replicates. Soil aggregate samples were collected at depths of 0–5, 5–10 and 10–20 cm. The conversion of RV to agricultural land influenced the distribution of aggregate size classes, soil aggregation indices and aggregate-associated SOC, total N and POXC in the two surface layers. The formation of large macroaggregates (8–19 mm) dominated the aggregate size distribution with a relatively higher proportion under RV and NT than under CT. Across all soil depths, the proportions of the 8- to 19-mm aggregate size fraction were 59% (NV), 43% and 47% (RcCS), 45% and 53% (SbCS) and 34% and 37% (CsCS) for the CT and NT systems, respectively. Among the three NT systems, the biannual crop rotations in the three cropping systems (NT2-Rice, NT2-Soybean, NT2-Cassava; NT3-Rice, NT3-Soybean and NT3-Cassava) indicated better performance than the one-year frequency pattern in restoring large macroaggregation and the concentrations of SOC, total N and POXC associated with large macroaggregates. Additionally, in the surface (0–5 cm) and subsurface (10–20 cm) soil layers, the SbCS with a high rate (7.32 Mg C ha−1 year−1) and diversity [Pennisetum typhoides) (Pearl millet)/maize + Brachiaria ruziziensis (Brz), Stylosanthes guianensis (St)] of biomass-C inputs reached the highest levels of lability of SOC and POXC in the macroaggregate size classes of 0.25–0.5 and 8–19 mm, respectively. The CP-MAS 13C NMR measurement suggests that the continuous and high biomass-C inputs with diverse crop residues under NT, such as millet, maize, Brz, St and Crotalaria juncea, tended to increase the proportion of aliphatic C than under CT; an opposite trend was observed for aromatic C. 13C NMR revealed an advance caused by the association between the quantity and quality of C addition via cultural residues in the discrimination of the composition of C in the macroaggregation in the tropical region.